德钦县巨水沟泥石流危险性评价

黄 勇，方宏宇，刘任鸿

(成都理工大学环境与土木工程学院，四川 成都 610059)

泥石流是山区高发的地质灾害之一，也是阻碍山区经济发展的重大威胁。近年来，我国山区地震频发导致地质环境趋于不稳定，雨季突发暴雨更是加剧了环境的恶化，山区经济建设的不断发展的同时也因频繁的人类活动破坏了当地自然条件原有的平衡状态。这些自然因素和人类工程活动的共同作用为泥石流的发育创造了基本条件，导致我国每年都有大量的泥石流灾害发生，同时也给当地经济造成了重大损失。因此，评价泥石流的形成条件和危险性程度，对泥石流的预测和防灾减灾具有重要意义。

危险性评价是国内外灾害研究领域的热点之一, 也是灾害预测预报和减灾防灾工作中的重要内容。目前，国内单沟泥石流危险性评价发展成熟且具有代表性的方法主要有：模糊数学评价法、灰色系统评价法、回归分析评价法及神经网络评价法等，这些评价方法虽不同，但其原理却是一致的。其评价方法主要是从泥石流沟的形成、发展以及导致其暴发的影响因子入手, 采用不同的数学方法确定因子间的主次关系和权重, 从而构造出相应的数学模型[1]。如刘希林(1988年)首次提出通过选取影响泥石流危险度的八大因子并作出四值五级量化划分，采用灰色系统关联度分析法确定各因子在危险度判别中的权重，以此基础求出得分总和即泥石流危险度的定量方法[2]。苏经宇等(1993年)建立了评价因子的隶属函数以及各因子在评价泥石流危险度中的权重，运用模糊数学方法对泥石流危险进行评定[3]。郭万铭等(2010年)基于模糊综合评判理论，选取了沟谷纵比降、流域相对高差、泥沙沿程长度补给比、冲淤变幅等8个因素作为泥石流危险性评判因子，对岷县洮河流域做了单沟危险性评价[4]。邓文佳(2012年)采用层次分析法和模糊综合评判法对炮手沟泥石流的危险程度进行评价，能较为直观地反映该泥石流沟的危害等级[5]。王俊豪等(2017年)选定10个主要影响因子作为泥石流危险度评价的指标，依据层次分析法确定各因子的权重，并利用模糊综合评判法对其做出危险性评价[6]。

基于此，本文结合巨水沟泥石流沟发育的特征，采用AHP法和模糊综合评判法对该泥石流进行单沟泥石流危险性评价。

1 研究区概况

巨水沟泥石流位于德钦县升平镇巨水村，属芝曲河右岸支流，是一条处于旺盛期的山区型高频发粘性泥石流，目前沟域内沟岸岩土体结构松散、整体性差，小规模坍塌、崩落掉块等发育，沟床纵坡降大，山高坡陡，降雨汇流时间短、速度快，该沟活动性强烈。若不加以治理，该泥石流将加快溯源侵蚀、扩大冲沟规模，下对沟口的德维公路及县城拓展区的安全构成严重威胁，上对G214国道造成潜在威胁。目前，泥石流已威胁到新德维公路、梅里小学，受泥石流威胁的固定资产有近1.1亿元，其灾害危害性及潜在危险性为特大型。

图1 巨水沟泥石流遥感影像图

2 巨水沟泥石流的形成条件

2.1 地形条件

巨水沟地处芝曲河西侧，流域最高点海拔4 300 m，主沟源头位于214国道上方，巨水沟于巨水村前与芝曲河交汇，交汇口海拔2 801 m。流域形似“菱”形，流域面积约7.1 km2，主沟长2 690 m，流域最大高差1 499 m，主沟纵坡至上而下逐渐变缓，平均纵坡降为260‰。沟谷呈“V”型，两岸坡度多在30°～50°，局部有陡崖。泥石流沟分区特征明显，根据现场踏勘及勘查测绘成果，巨水沟泥石流可以划分为上中下三段，形成区主要位于沟道上段，流通区位于中上段，下段由于坡降变缓，主要发育为堆积区。该沟属典型的高原山区沟谷，地形条件不利于山坡的稳定、且有利于雨水的迅速汇聚，利于泥石流的形成。

2.2 物源条件

泥石流固体物源主要集中于中游和上游段，包括崩滑物源、沟道物源及坡面侵蚀物源三类，物源点共12处，其中崩滑物源7处，沟道物源4处，坡面侵蚀物源1处。据调查统计，目前巨水沟泥石流物源总量约2 129.29×104m3，可能参与泥石流活动的物源量约186.86×104m3。据统计，在巨水沟泥石流物源中，崩滑类物源静储量约2 108.66×104m3，占总物源量的99%。沟道堆积物源约2.13×104m3，占总物源量的0.1%，坡面侵蚀物源约18.5×104m3，占总物源量的0.9%。可见，巨水沟泥石流主要的物源类型为崩滑类物源。可能参与泥石流活动的物源量中，崩滑类物源约184.80×104m3，占可能参与泥石流物源总量的99.03%。坡面侵蚀物源为1.3×104m3，占可能参与泥石流物源总量的0.87%。沟道堆积物源为0.76×104m3，占可能参与泥石流物源总量的0.1%。

2.3 水源条件

巨水沟泥石流的水源主要来源于大气降水。据德钦县气象局资料统计，该地区全年平均降雨量约640 mm，降雨主要集中在5-10月，雨季降水量占全年的76.3%。由于泥石流均发生于雨季，春季冰雪融水一般不会成为引发泥石流的水源，此外，沟域内地下水富水性差，不构成引发泥石流的主要水源，沟域内没有水库、湖泊等集中的地表水体，巨水沟年内流量变幅较大，枯季沟水流量一般5～10 L/s，雨季多在50～100 L/s。沟谷汇水面积较大，谷坡陡峻，有利于大气降雨的迅速汇聚，当地最大日降雨74.7 mm，最大5分钟降雨7.1 mm，因此暴雨形成的地表径流是引发泥石流的主要水源，暴雨是泥石流的主要激发因素。

3 巨水沟泥石流危险性评价

在泥石流危险性评价过程中，确定评价关键指标是首要环节。选取泥石流评价指标时，通常从地质条件、地形条件、气象水文条件三个方面考虑，同时需要考虑这些指标的代表性、科学性和实用性。我国幅员辽阔，地质、地形地貌、气候具有多样性、复杂性的特点。因此，开展泥石流危险性评价时，评价指标应体现出地区的差异性[7-8]。在众多评价指标系统中，指标权重计算有多种方法，如经验判断法、数理统计法、模糊统计法和层次分析法(AHP)等，这些方法都各有优劣[9]。本文选取12个影响指标作为泥石流危险性评价的评价因子，通过建立AHP模型确定各影响因子权重，在此基础上采用模糊综合评判法确定泥石流危险等级。

3.1 危险性评价体系的建立

3.1.1 AHP模型的建立

AHP模型(层次分析法)是美国运筹学家T.L.Saaty为解决政府电力分配问题而提出的，该方法在面对复杂的决策问题时，可以模拟人脑的思维过程把问题分成多个层次、多个因素，依次对每个层次的不同因素进行两两比较，确定不同因素在同一层次的重要性，然后利用数学方法计算每一个因素在整个问题中的权重。由于该方法在处理复杂的决策类问题是非常实用且高效，在全球范围受到广泛应用，在预测、评价方面也有非常成功的案例[10]。

3.1.2 构建判断矩阵及确定权重

本文将巨水沟泥石流作为AHP模型的目标层，地形地貌、地质条件及土地类型作为准则层，流域面积、流域相对高差、河沟纵坡等12个影响因子作为指标层，见表1。在此基础上，对各层次建立相应的重要性判断矩阵，见表2～表5，利用Matlab对各判断矩阵进行归一化处理，计算出各层次下相应的一致性指标CI值和一致性比例CR值，当结果满足CR<0.1时, 各判断矩阵符合一次性检验，从而得到各矩阵的特征向量(权重)，当CR>=0.1时,需重新调整判断矩阵。

表1 巨水沟泥石流的AHP模型

表2 准则层重要性判断矩阵

表3 地形地貌类指标重要性判断矩阵

表4 地质条件类指标重要性判断矩阵

表5 土地类型指标重要性判断矩阵

由计算结果可知，准则层判断矩阵的一致性指标CI=0.004 6，一致性比例CR=0.008 8, 因为CR<0.10，所以该判断矩阵的一致性可以接受。特征值法求权重的结果为：a1=0.539 6,a2=0.297 0,a3=0.163 4。同理可求得其他判断矩阵的CI、CR，均通过一致性检，所得各权重值为：b1=0.073 6,b2=0.253 7,b3=0.192 3,b4=0.334 7,b5=0.145 7，b6=0.362 3,b7=0.125 7,b8=0.237 6,b9=0.179 5,b10=0.094 9，b11=0.750 0,b12=0.250 0。

计算目标层下所有因素的总排序，即泥石流危险评价中各影响指标的权重值，结果见表6，其计算公式为：

表6 基于层次分析法的总权重分析结果

Ci=Ai·Bi

(1)

式中：Ci为第二层次指标相对于目标层的权重；Ai为第一层次指标相对于目标层的权重，即准则层归一化后的权重；Bi为第二层次影响因子相对于第一层次指标的权重，即地形地貌类、地质条件类、土地类型判断矩阵的各指标权重。

3.2 模糊综合评判法确定危险等级

模糊综合评判是指对受多个模糊因素影响的事物或现象进行总体的评价，其核心是利用参数之间的模糊关系代替数学假设，在此基础上求得其解析关系。确定隶属度是进行模糊综合评价最为关键的环节之一，隶属度函数的确定方法有很多种，但没有统一的固定模式。按照泥石流“无危险、轻度危险、中度危险、高度危险”4 级评价标准及其指标越大越优的特性，现选定半梯形分布模型进行隶属度函数的设计如下[6]：

(2)

qi为评价集的上下界；mi为影响因子的实际值。

3.2.1 确定评价集及评价等级

根据巨水沟泥石流实际情况及专家建议，将12个影响指标C={c1,c2,…,c11,c12}={流域面积，流域相对 高差，…，人类工程活动}作为评价集，{WI，WII，WIII，WIV}={无危险,低度危险,中度危险,高度危险}作为评价等级，评价标准见表7。

表7 泥石流影响因子等级及其赋值表

3.2.2 确定隶属度

由危险因子实际值(表8)与公式(2)求得评价因素集C对评语集的隶属度，从而建立模糊关系矩阵R。

表8 巨水沟泥石流危险因子实际取值表

3.2.3 危险等级综合评判

根据上述方法所求出的模糊关系矩阵R，再用模糊权向量将各行进行综合，便可得到该评价事物从总体角度上对各等级模糊子集的隶属程度，也就是所谓的模糊综合评价结果向量。继而将评语集上的一个模糊子集Q引入，则该模糊子集Q称模糊评级[6]。

目标层的模糊综合评判：

根据隶属度最高原则，Q目标中计算的最大值为0.530 2，即巨水沟泥石流采用模糊综合评判的危险等级为高度危险。

4 结语

通过对巨水沟泥石流现场的地质勘查与分析，分析其形成条件及实际发育特征，选取12个关键评价指标，采用层次分析法确定各指标在危险性评价模型中的权重，将危险等级划分为无危险、低度危险、中危险及高度危险四个等级，运用模糊综合评价法得出该单沟泥石流危险等级为高度危险，其结果对该泥石流沟的防灾减灾工作提供一定的科学依据具有重要意义。